Процесс экструзии включает в себя производство изоляции и оболочки. Способы производства изоляции включают нанесение покрытия, обертывание, экструзию и их комбинации. В настоящее время производство изоляции в основном связано с нанесением покрытий (для обмоточных проводов, на производство которых больше не распространяется лицензионное регулирование) и экструзией (для проводов и кабелей).
I. Процесс экструзии пластика
1. Метод непрерывной экструзии
Экструзионное оборудование обычно представляет собой одношнековый экструдер. Перед экструзией пластик необходимо проверить на наличие влаги и загрязнений. Затем шнек предварительно нагревается перед добавлением в бункер. Во время экструзии пластик из бункера попадает в цилиндр под действием силы тяжести или подающего шнека. Под действием вращающегося шнека он непрерывно продвигается вперед, постепенно перемещаясь из секции предварительного нагрева в секцию гомогенизации.
Одновременно пластик перемешивается и экструдируется шнеком, а под воздействием внешнего тепла ствола и трения сдвига между пластиком и оборудованием он переходит в вязкотекучее состояние, образуя непрерывный и равномерный поток в канале шнека. При заданной температуре пластик переходит из твердого состояния в расплавленное, ковкое вещество. Полностью пластифицированный пластик, приводимый в движение или перемешиваемый винтом, вдавливается в головку штампа. Поток материала, достигающий головки матрицы, проходит через кольцевой зазор между сердечником матрицы и втулкой матрицы и выдавливается из отверстия втулки матрицы, охватывая проводник или сердечник провода, образуя непрерывный плотный изоляционный слой или оболочку. После охлаждения и затвердевания он становится проволочно-кабельным изделием.
II. Три этапа процесса экструзии
Важнейшей основой пластиковой экструзии является пластичность пластика. Процесс пластификации в экструдере представляет собой сложный физический процесс, включающий смешивание, измельчение, плавление, пластификацию, дегазацию, уплотнение и окончательное формование. Этот непрерывный процесс экструзии часто искусственно разделяют на разные этапы в зависимости от различных реакций пластика:
1. Стадия пластификации (смешивание, плавление и гомогенизация пластика).
Это завершается внутри цилиндра экструдера. В результате вращения винта пластик превращается из зернистого твердого вещества в пластичную вязкую жидкость. На этапе пластификации пластик получает тепло из двух источников: внешнего электрического нагрева цилиндра и тепла трения, генерируемого вращением шнека.
2. Стадия формования (экструзионное формование пластмасс).
Этот этап происходит внутри головки штампа. Благодаря вращению винта и давлению вязкая жидкость выталкивается к головке. Через форму внутри головки матрицы вязкая жидкость преобразуется в экструдированные материалы различных размеров и форм, покрывающие сердечник или проводник провода.
3. Этап формообразования (охлаждение и отверждение пластикового слоя).
Этот этап происходит в резервуаре охлаждающей воды или охлаждающих трубах. После охлаждения экструдированный пластиковый слой переходит из аморфно-пластического состояния в формованное твердое состояние.
III. Изменения пластического течения на стадии пластификации
На этапе пластификации, когда пластик движется вдоль оси шнека к головке штампа, он претерпевает изменения температуры, давления, вязкости и даже химической структуры. Эти изменения различаются на разных участках винта. На основании изменения физического состояния в процессе пластического течения стадию пластификации искусственно разделяют на следующие три стадии.
1. В разделе кормления:
Во-первых, он обеспечивает температуру размягчения гранулированного твердого пластика. Во-вторых, напряжение сдвига, возникающее между вращающимся шнеком и неподвижным цилиндром, действует на пластиковые гранулы, разрушая размягченный пластик. Самое главное, что вращение шнека создает достаточно большую, непрерывную и стабильную силу тяги и обратного трения для формирования непрерывного и стабильного давления экструзии. Это обеспечивает перемешивание и гомогенизацию измельченного пластика, а также инициирует первоначальный теплообмен, закладывая тем самым основу для непрерывной и стабильной экструзии. Упор, создаваемый на этом этапе, напрямую влияет на качество экструзии и производительность.
2. В плавильном отделении:
В этом разделе пластик сталкивается с более высокой температурой, которая является источником тепла. Помимо точечного нагрева снаружи ствола, играет роль и тепло трения от вращения винта. Упор со стороны секции подачи и сила реакции со стороны секции гомогенизации вызывают возврат пластика во время его движения вперед. Этот рефлюкс не только дополнительно гомогенизирует материал, но и увеличивает теплообмен пластика, достигая поверхностного теплового равновесия. Поскольку рабочая температура на этом этапе превышает реологическую температуру пластика, а время работы относительно велико, пластик претерпевает фазовый переход. Материал, контактирующий с нагретым стволом, начинает плавиться, образуя на внутренней поверхности ствола пленку расплава полимера. Когда толщина пленки расплава превышает зазор между наконечником шнека и стволом, она соскабливается вращающимся шнеком и скапливается перед продвигающимся шнеком, образуя ванну расплава.
За счет относительного движения между цилиндром и хвостовиком шнека в ванне расплава создается циркулирующий поток материала. За наконечником винта находится прочная станина (цельный пластик). По мере продвижения материала по шнековому каналу глубина шнекового канала в секции плавления постепенно уменьшается по направлению к секции гомогенизации. Твердый слой постоянно прижимается к внутренней стенке цилиндра, ускоряя процесс передачи тепла от цилиндра к твердому слою. Одновременно вращение шнека оказывает сдвиговое воздействие на пленку расплава на внутренней стенке цилиндра, вызывая плавление материала на границе раздела между пленкой расплава и твердым слоем. Ширина твердого слоя постепенно уменьшается до его полного исчезновения, т. е. перехода из твердого состояния в вязкотекучее. На этом этапе молекулярная структура пластика претерпевает фундаментальные изменения. Межмолекулярное напряжение чрезвычайно расслаблено. Если это кристаллический полимер, то кристаллические области начинают уменьшаться, а аморфные увеличиваются. За исключением очень крупных молекул, основная масса уже завершила пластификацию, так называемую «предварительную пластификацию». Кроме того, под давлением газ, содержащийся в твердом материале, вытесняется, обеспечивая предварительное уплотнение.
3. В секции гомогенизации:
Эта секция имеет наименьшую глубину резьбы, то есть объем винтового канала наименьший. Следовательно, это тот участок, где давление между винтом и стволом самое высокое. Кроме того, тяга винта, силы реакции ситовой пластины и т. д. являются зоной прямого контакта пластика и ствола. Этот участок также имеет самую высокую температуру экструзии, поэтому радиальное и осевое давление на пластик на этом этапе наибольшее. Этого высокого давления достаточно, чтобы вытеснить весь газ, содержащийся внутри пластика, и уплотнить расплав, сделав его плотным. Вот почему эта секция называется «секция гомогенизации под давлением».
IV. Текучее состояние пластмасс во время экструзии
Во время экструзии вращение шнека толкает пластик вперед, в то время как цилиндр остается неподвижным. Это создает относительное движение между винтом и цилиндром, создавая трение, которое тянет пластик вперед. Кроме того, сопротивление матрицы, перфорированного экрана и фильтра в головке штампа создает силу реакции на пластик при его движении вперед, еще больше усложняя поток пластика внутри шнека и цилиндра. Обычно считается, что текучее состояние пластика состоит из следующих четырех режимов течения:
1. Прямой поток: относится к потоку пластика вдоль канавки винта к головке штампа. Он создается толкающей силой вращающегося винта и является наиболее важным из четырех режимов потока. Величина прямого потока напрямую определяет объем экструзии.
2. Обратный поток (Противопоток): его направление точно противоположно прямому потоку. Это вызвано давлением (силой реакции движения пластика вперед), создаваемым в области головки штампа из-за сопротивления матрицы, экрана и фильтра в головке штампа. 3. **Обратный поток под давлением:** Это течение пластика вдоль оси, перпендикулярной канавкам винтов. Он также образуется за счет толкающего действия вращающегося винта. Его течению препятствует сопротивление боковых стенок винтовой канавки. Благодаря взаимному сопротивлению резьб с обеих сторон и вращающемуся винту, заставляющему пластик падать в канавках, образуется круговой поток. Таким образом, переток по сути представляет собой круговой поток.
Циркулирующий поток неотделим от смешивания и пластификации пластика до расплавленного состояния внутри бочки. Циркуляционный поток перемешивает и перемешивает материал в цилиндре и облегчает теплообмен между цилиндром и материалом, что важно для улучшения качества экструзии, но мало влияет на скорость потока экструзии.
4. Поток утечки: это также вызвано сопротивлением матрицы, экрана и фильтра в головке матрицы. Однако это не течение внутри винтовых канавок, а обратный поток, образующийся в зазоре между винтом и стволом. Это также может привести к потере производственных мощностей. Поскольку зазор между шнеком и цилиндром обычно очень мал, скорость утечки намного меньше, чем при прямом и обратном потоке в нормальных условиях.
Во время экструзии утечка повлияет на объем экструзии; повышенная утечка приведет к уменьшению объема экструзии. Четыре состояния течения пластика не проявляются изолированно. Для данной пластиковой частицы не существует ни истинного обратного потока, ни замкнутой циркуляции. Фактический поток расплавленного пластика в канавке винта представляет собой комбинацию четырех вышеупомянутых состояний потока, движущихся вперед по винтовой траектории.
5. Качество экструзии
Качество экструзии главным образом зависит от того, хорошо ли пластифицирован пластик и являются ли геометрические размеры однородными, т.е. является ли радиальная толщина постоянной и осевой наружный диаметр однородным. Факторами, определяющими пластификацию, помимо самого пластика, в основном являются температура, скорость деформации сдвига и время нанесения. Чрезмерно высокие температуры экструзии не только вызывают колебания давления экструзии, но также приводят к разложению пластика и даже могут стать причиной аварий на оборудовании. Хотя уменьшение глубины канавки шнека и увеличение соотношения длины шнека к диаметру полезно для теплообмена и увеличения времени нагрева, тем самым удовлетворяя требованию равномерной пластификации, это повлияет на объем экструзии и создаст трудности при изготовлении и сборке шнека.
Следовательно, решающим фактором в обеспечении равномерной пластификации является увеличение скорости деформации сдвига, создаваемой вращением шнека на пластике. Это обеспечивает равномерное механическое перемешивание и сбалансированный теплообмен во время экструзии, гарантируя тем самым равномерную пластификацию. Величина этой скорости деформации определяется силой сдвига между винтом и цилиндром. Следовательно, при сохранении необходимого объема экструзии глубину канавки шнека можно увеличить за счет увеличения скорости шнека.
Кроме того, зазор между шнеком и цилиндром также влияет на качество экструзии. Чрезмерный зазор увеличивает обратный поток и утечку пластика, вызывая колебания давления экструзии и влияя на объем экструзии. Более того, этот увеличенный обратный поток может привести к перегреву пластика, что приведет к пригоранию или трудностям при формовании.